【正文】 第四章 電化學(xué)加工 1 電化學(xué)加工原理及分類 2 電解加工 3 電解磨削 4 電鑄 涂鍍及復(fù)合鍍加工 第四章 電化學(xué)加工 概論： 電化學(xué)加工 —— ECM (Electrochemical Machining) 第一節(jié) 電化學(xué)加工概述 電化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象 電化學(xué)反應(yīng) ：在陽極和陰極發(fā)生的得失電子的化學(xué)反應(yīng)。 電化學(xué)加工原理： 利用電極在電解液中的電化學(xué)作用去除材料或鍍覆材料。 第一節(jié) 電化學(xué)加工的原理及分類 ? （原理圖） 在金屬電極和溶液的界面上，必定有交換電子的反應(yīng)（在陰、陽兩電極表面發(fā)生電子的得失的化學(xué)反應(yīng) )。 圖 11 電解液中的電化學(xué)反應(yīng) i e e i211— 陽極； 2— 陰極OH－Cl－H＋Cu2 ＋ 還原 還原 2 ? 圖 11所示為電化學(xué)加工的原理。兩片金屬銅(Cu)板浸在導(dǎo)電溶液，例如氯化銅 (CuCl2)的水溶液中，此時(shí)水 (H2O)離解為氫氧根負(fù)離子 OH－ 和氫正離子 H+， CuCl2離解為兩個(gè)氯負(fù)離子 2Cl－ 和二價(jià)銅正離子 Cu+2。當(dāng)兩個(gè)銅片接上直流電形成導(dǎo)電通路時(shí)，導(dǎo)線和溶液中均有電流流過，在金屬片 (電極 )和溶液的界面上就會(huì)有交換電子的反應(yīng)，即電化學(xué)反應(yīng)。溶液中的離子將作定向移動(dòng)， Cu+2正離子移向陰極，在陰極上得到電子而進(jìn)行還原反應(yīng)，沉積出銅。 在陽極表面 Cu原子失掉電子而成為 Cu+2正離子進(jìn)入溶液 。 溶液中正 、 負(fù)離子的定向移動(dòng)稱為電荷遷移 。 在陽 、 陰電極表面發(fā)生得失電子的化學(xué)反應(yīng)稱為 電化學(xué)反應(yīng) 。 這種利用電化學(xué)反應(yīng)原理對(duì)金屬進(jìn)行加工 (圖 11中陽極上為 電解蝕除 ， 陰極上為電鍍沉積 ， 常用以提煉純銅 )的方法即 電化學(xué)加工 。 （三大類） 1. 利用陽極金屬的溶解作用去除材料。 主要有電解加工、電解拋光、電解倒棱、電解去毛刺等，用于內(nèi)外表面形狀、尺寸以及去毛刺等加工，例如型腔和異型孔加工、模具以及三維鍛模制造、渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、齒輪等零件的去毛刺等等。 2. 利用陰極金屬的沉積作用進(jìn)行鍍覆加工。 主要有電鑄、電鍍、電刷鍍，用于表面加工、裝飾、尺寸修復(fù)、磨具制造、精密圖案及印刷板復(fù)制等加工。例如復(fù)制印刷板、修復(fù)有缺陷或已磨損的零件、鍍裝飾層和保護(hù)層等等。 3. 電化學(xué)加工與其它加工方法結(jié)合完成的電化學(xué)復(fù)合加工。 主要有電解磨削、電解 電火花復(fù)合加工、電化學(xué)陽極機(jī)械加工等，用于形狀、尺寸加工、表面光整加工、鏡面加工、高速切割等加工。例如擠壓拉絲模加工、硬質(zhì)合金刀具磨削、硬質(zhì)合金軋輥磨削、下料等等。 （三大類） 電化學(xué)加工的分類表 類別 加工方法及原理 應(yīng) 用 Ⅰ 電解加工 ( 陽極溶解 ) 電化學(xué)拋光 ( 陽極溶解 ) 用于形狀尺寸加工 用于表面加工 Ⅱ 電鍍 ( 陰極沉積 ) 電鑄 ( 陰極沉積 ) 用于表面加工 用于形狀尺寸加工 Ⅲ 電極磨削 ( 陽極溶解、機(jī)械磨削 ) 電解放電加工 ( 陽極溶解、電火花蝕除 ) 用于形狀尺寸加工 用于形狀尺寸加工 1. 適應(yīng)范圍廣。 凡是能夠?qū)щ姷牟牧隙伎梢约庸?，并且不受材料機(jī)械性能的限制。 2. 加工質(zhì)量高。 因?yàn)樵诩庸み^程中沒有機(jī)械切削力的存在，工件表面一般無殘余應(yīng)力、無變質(zhì)層，也沒有毛刺及棱角。 3. 加工過程不分階段。 可以同時(shí)進(jìn)行大面積加工，生產(chǎn)效率高。 4. 電化學(xué)加工對(duì)環(huán)境有一定程度的污染。 . 電化學(xué)加工的適用范圍 ? 電化學(xué)加工的適用范圍 ， 因電解和電鍍兩大類工藝的不同而不同 。 ? 電解加工可以加工復(fù)雜成型模具和零件 ， 例如汽車 、 拖拉機(jī)連桿等各種型腔鍛模 ， 航空 、 航天發(fā)動(dòng)機(jī)的扭曲葉片 ， 汽輪機(jī)定子 、 轉(zhuǎn)子的扭曲葉片 ， 齒輪 、 液壓件內(nèi)孔的電解去毛刺及擴(kuò)孔 、 拋光等 。 ? 電鍍 、 電鑄可以復(fù)制復(fù)雜 、 精細(xì)的表面 。 第四章 電化學(xué)加工 1 電化學(xué)加工原理及分類 2 電解加工 3 電解磨削 4 電鑄 涂鍍及復(fù)合鍍加工 第二節(jié) 電解加工 ? 電解加工是利用金屬在電解液中的 “ 電化學(xué)陽極溶解 ” 來將工件成型的。 如圖 21所示 ，在工件 (陽極 )與工具 (陰極 )之間接上直流電源，使工具陰極與工件陽極間保持較小的加工間隙 (～ mm)，間隙中通過高速流動(dòng)的電解液。這時(shí)，工件陽極開始溶解。開始時(shí)，兩極之間的間隙大小不等，間隙小處電流密度大，陽極金屬去除速度快；而間隙大處電流密度小，去除速度慢。 還原 12345VA1— 直流電源； 2— 工具電極； 3— 工件陽極；4— 電解液泵； 5— 電解液－＋ ? 加工過程中 ， 工具陰極的凸出部分與工件陽極的電極間隙最小 ， 此處的電流密度最大 ，單位時(shí)間內(nèi)消耗的電量最多 。 根據(jù)法拉第定律 ， 金屬 陽極的溶解量與通過的電量成正比 。因此 ， 工件上與工具陰極凸起部位的對(duì)應(yīng)處比其它部位溶解更快 。 隨著工件表面金屬材料的不斷溶解，工具陰極不斷地向工件進(jìn)給，溶解的電解產(chǎn)物不斷地被電解液沖走，工件表面也就逐漸被加工成接近于工具電極的形狀，如此下去直至將工具的形狀復(fù)制到工件上。 ? 電解加工與其他加工方法相比較，它具有下列 優(yōu)點(diǎn) : (1) 能加工各種硬度和強(qiáng)度的材料 。 只要是金屬 ， 不管其硬度和強(qiáng)度多大 ， 都可加工 。 (2) 生產(chǎn)率高 ， 約為電火花加工的 5～ 10倍 ， 在某些情況下 ， 比切削加工的生產(chǎn)率還高 ， 且加工生產(chǎn)率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制 。 (3) 表面質(zhì)量好 由于電解加工不存在機(jī)械的切削 ， 所以工件不產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變質(zhì)層 ， 又沒有飛邊 、 刀痕和毛刺 ， 使加工的表面質(zhì)量提高 。 (4) 陰極工具在理論上不損耗 ， 基本上可長(zhǎng)期使用 。 （ 5） 可達(dá)到較好的表面粗糙度 在正常情況下 ，表面粗糙度 Ra可達(dá) ～ μm ， 平均加工精度177。 1mm左右 。 電解加工的缺點(diǎn)和局限性 （ 1） 不易達(dá)到較高的加工精度和加工穩(wěn)定性 。因?yàn)橛绊戨娊饧庸さ拈g隙電場(chǎng)和流場(chǎng)穩(wěn)定性的參數(shù)很多 ， 控制比較困難 ， 加工精度難以嚴(yán)格控制 ， 尺寸精度一般只能達(dá)到 ～ mm；加工時(shí)雜散腐蝕也比較嚴(yán)重； （ 2） 電極工具的的設(shè)計(jì)和修正比較麻煩 ， 因而很難適用于單件生產(chǎn)； （ 3）電解加工的設(shè)備較多，占地面積大，機(jī)床要有足夠的剛度和防腐蝕的性能，造價(jià)高 （ 4）電解產(chǎn)物需進(jìn)行妥善處理，防止污染環(huán)境。 ? 三部分組成，包括： 直流電源，機(jī)床，電解液系統(tǒng) 。 ? 常用的直流電源為硅整流電源和晶閘管整流電源。 分 類 特 點(diǎn) 應(yīng)用場(chǎng)合 硅整流電源 1 ．可靠性、穩(wěn)定性好； 2 ．調(diào)節(jié)靈敏度較低； 3 ．穩(wěn)壓精度不高 國(guó)內(nèi)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)占一定比例 晶閘管電源 1 ．靈敏度高，穩(wěn)壓精度高； 2 ．效率高，節(jié)省金屬材料； 3 ．穩(wěn)定性、可靠性較差 國(guó)外生產(chǎn)中普遍采用，也占相當(dāng)比例 在電解加工過程中，電解液不僅作為 導(dǎo)電介質(zhì) 傳遞電流，而且在電場(chǎng)的作用下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng) ，使陽極溶解能順利而有效地進(jìn)行，這一點(diǎn)與電火花加工的工作液的作用是不同的。同時(shí)電解液也擔(dān)負(fù)著及時(shí)把加工間隙內(nèi)產(chǎn)生的電解產(chǎn)物和熱量帶走的任務(wù)，起到 更新和冷卻 的作用。 2. 基本要求 ◆ 保證足夠的蝕除速度 即電解質(zhì)有較高的溶解度和離解度。 ◆ 保證較高的精度和表面質(zhì)量 即電解液中的金屬陽離子不應(yīng)放電沉積到陰極工具上。 ◆ 陽極反應(yīng)的最終產(chǎn)物應(yīng)是不溶性的化合物。主要是便于廢液處理。 ◆ 具有性能穩(wěn)定、操作安全、價(jià)格便宜及對(duì)設(shè)備腐蝕性小的特點(diǎn)。 電解液可分為 中性鹽溶液 、 酸性鹽溶液 和 堿性鹽溶液 三大類 。 其中中性鹽溶液的腐蝕性較小 ， 使用時(shí)較為安全 ， 故應(yīng)用最廣 。 常用的電解液有 NaCl、 NaNO NaClO3 三種 。 （ 1） NaCl 電解液價(jià)廉易得，對(duì)大多數(shù)金屬而言，其電流效率均很高，加工過程中損耗小并可在低濃度下使用，應(yīng)用很廣。 其缺點(diǎn)是電解能力強(qiáng)，散腐蝕能力強(qiáng)，使得離陰極工具較遠(yuǎn)的工件表面也被電解，成型精度難于控制，復(fù)制精度差；對(duì)機(jī)床設(shè)備腐蝕性大，故適用于加工速度快而精度要求不高的工件加工。 常用的電解液溫度為 25～ 35℃ ，但加工鈦合金時(shí)，必須在 40℃ 以上。